Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Kinematika Partikel pada Proses Flotasi
Warjito1, a*, Harinaldi2, b, Kevin Irdyan Hardwin3.c, Yudistira4.d, Manus Setyantono5, e 1,2,3,4,5Departemen Teknik Mesin, Universitas Indonesia, Depok 16424 Jawa Barat, Indonesia. aEmail :warjito@eng.ui.ac.id , bEmail :harinald@eng.ui.ac.iddEmail :den_yudis@yahoo.co.id
eEmail : manus_setyantono@yahoo.co.id
ABSTRAK
Flotasi adalah teknologi pemisahan material berharga dari kotoran dan bekerja berdasarkan sifat permukaaan material yaitu hidrophobik (takut air) dan hidrophilik (suka air). Efisiensi proses pemisahan dengan flotasi ditentukan oleh beberapa sub proses yaitu tubrukan antara gelembung dan partikel, penempelan partikel pada permukaan gelembung dan stabilitas agregat gelembung-partikel. Sub proses tersebut ditentukan oleh sifat permukaan, geometri dan ukuran serta pergerakan partikel maupun gelembung. Penelitian ini bertujuan untuk memahami pergerakan partikel sebelum dan saat berinteraksi dengan gelembung sehingga diperoleh pemahaman tentang pengaruh geometri dan ukuran partikel pada proses tersebut. Partikel yang digunakan berasal dari tambang mineral di Indonesia dan berukuran mesh 300, 212, 150 dan 106 mikron. Sel flotasi berupa bak air transparan. Digunakan particle feed berupa pipet Burnet untuk melepas partikel ke dalam sel flotasi. Gelembung yang digunakan berdiameter 0,9 mm, dihasilkan oleh nosel berdiameter 0,3 mm. Udara diberikan oleh programmable syringe pump pada debit 1,5 l/min. Pergerakan partikel direkam dengan menggunakan High Speed Video Camera. Image yang dihasilkan diproses dengan image processing software untuk mendapatkan lintasan dan pergerakan partikel. Data hasil pengamatan dan pengukuran dengan menggunakan SEM diperoleh hasil bahwa partikel yang digunakan dominan berbentuk bladed – sub angular. Kecepatan terminal partikel dipengaruhi oleh ukuran, semakin besar ukuran partikel semakin tinggi kecepatan terminalnya. Probabilitas interaksi antara partikel sangat ditentukan oleh jarak antara partikel dengan sumbu gelembung saat awal pergerakan partikel yang disebut dengan Rc. Jarak Rc paling efektif didapatkan pada jarak Rc = 0 atau tepat ditengah gelembung dan jarak Rc = 1/2 jari-jari gelembung.
Kata kunci: Flotasi, gelembung, partikel, kecepatan terminal, Interaksi partikel-gelembung.
Pendahuluan
Proses flotasi adalah proses pemisahan material berharga dari pengotornya dengan menggunakan sifat permukaan hidrophobik dan hidrophilik material [1, 2]. Pada proses flotasi umumnya gelembung udara dilepas pada bagian bawah sel flotasi dan partikel dilepas pada bagian atas sel flotasi. Gaya gravitasi dan gaya apung menyebabkan partikel bergerak ke bawah dan gelembung udara bergerak naik sehingga pada suatu tempat terjadi interaksi antara gelembung dengan partikel. Hasil interaksi ini menyebabkan partikel yang memiliki sifat hidrophobik menempel pada gelembung udara, membentuk agregat partikel
gelembung dan terbawa ke bagian atas sel flotasi terpisah dari partikel pengotornya yang tertinggal di air karena memiliki sifat hidrophilik [2].
Aspek-aspek penting dalam proses flotasi meliputi aspek engineering, fisik dan kimia. Aspek engineering meliputi desain sistem flotasi, pembuatan gelembung dan sistem pelepasan partikel. Aspek fisik meliputi geometri dan dinamika partikel dan gelembung. Sedangkan aspek kimia meliputi mekanisme penempelan partikel pada permukaan gelembung dimana melibatkan reagent untuk mengubah sifat permukaan partikel.
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Efisiensi proses flotasi ditentukan oleh
probabilitas tumbukan, probabilitas penempelan partikel pada permukaan gelembung dan terbentuknya agregat stabil gelembung partikel. Proses interaksi partikel dengan gelembung terbagi menjadi sub proses tumbukan, partikel meluncur pada permukaan gelembung dan diikuti dengan terbentuknya agregat partikel gelembung atau partikel terlepas dari permukaan gelembung. Sub proses tersebut menentukan efisiensi pemisahan dan dipengaruhi oleh kinematika partikel sebelum dan saat berinteraksi dengan gelembung.
Kinematika partikel ditentukaan oleh beberapa variabel seperti geometri dan ukuran partikel. Pengaruh geometri dan ukuran pada kinematika partikel telah diteliti sebelumnya [3]. Penelitian-penelitian tersebut telah mampu menjelaskan berbagai phenomena, namun demikian umumnya penelitian tersebut menggunakan geometri berbentuk bola dan terbuat dari gelas, padahal geometri partikel mineral yang nyata berbentuk jauh dari bola sehingga aplikasi langsungnya terbatas.
Diperlukan pengetahuan tentang kinematika partikel dengan geometri singular dan terbuat dari bahan mineral untuk memahami proses flotasi sesungguhnya. Karena itu diperlukan penelitian kinematika partikel dengan menggunakan partikel dari hasil tambang dengan bentuk angular. Penelitian ini bertujuan untuk mempelajari karakteristik kinematika partikel tambang bergeometri angular yang meliputi pengaruh geometri dan ukuran pada lintasan, kecepatan terminal dan interaksi dengan gelembung. Metode
Metode penelitian mengikuti diagram alur seperti ditunjukkan pada gambar 1. Experimental set up terdiri dari kolom flotasi, bubble generator, image capturing device dan image processing software. Kolom flotasi berupa wadah fluida berbentuk balok terbuat dari kaca dengan ukuran 9 x 9 dan tinggi kolom 26 cm. Bubble generator adalah peralatan penghasil gelembung, terdiri dari nosel dengan diameter 0,3 mm yang dilengkapi programmable control syringe. Peralatan ini menghasilkan gelembung
dengan diameter rata-rata 1,8 mm. Image capturing device terdiri dari High Speed video Camera , lensa mikro dan sistem pencahayaan. Pada penelitian ini image diambil dengan kecepatan 1000 frame/second. Image processing software digunakan untuk mengolah data image menjadi data kuantitatif. Dalam penelitian ini digunakan software image J. Partikel yang digunakan pada penelitian ini adalah partikel hasil asli dari salah satu perusahaan pertambangan terbesar di Indonesia. Partikel tersebut memiliki ukuran 106, 150, 212, dan 300 mikro meter. Pada penelitian ini digunakan dua jenis fluida yaitu fluida dengan campuran reagent dan fluida air (H2O). Reagent ini berfungsi untuk mengubah sifat fluida menjadi hydrophobic. Larutan reagent yang digunakan pada penelitian ini adalah larutan bertipe primary collector 7249. Gambar skematik experiment set up ditunjukkan pada gambar 2.
Gambar 1 Diagram alur penelitian
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 HASIL DAN PEMBAHASAN
Deskripsi Partikel
Image partikel hasil Scanning Electron Microscope (SEM) untuk partikel ukuran sieve diameter [1, 4] 300, 212, 150 dan 106 mikro ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3 Hasil foto SEM
Selanjutnya image ini diproses dengan image software (Image J) sehingga dapat diketahui dan dihitung sphericity, roundness, zingg form index dan roundness degree [4, 5, 6]. Hasil image processing menunjukkan bahwa bentuk partikel adalah bladed-subangular kecuali untuk partikel berukuran sieve diameter 300 mikrometer seperti ditunjukkan pada gambar 4 dan 5.
Tabel 1 Nilai sphericity, roundness, zingg form index dan roundness degree
Gambar 4 Zingg form index
Gambar 5. Perbandingan sphericity dengan nilai roundness class
Lintasan (Trajectory) Partikel
Kinematika partikel di dalam kolom flotasi direkam dengan menggunakan high speed video camera dengan kecepatan pengambilan gambar 500 frame/second. Tipikal frame ditunjukkan pada gambar 6.Gambar 6. Visualisasi lintasan partikel diambil dengan video camera pada 500 fps.
Visualisasi menunjukkan bahwa partikel bergerak ke bawah dengan gerakan relatif lurus dan kemudian menumbuk gelembung yang diam. Setelah menumbuk gelembung, partikel akan menempel atau terlepas dari permukaan gelembung. Lintasan partikel dan
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 interaksi dengan gelembung dipengaruhi oleh
ukuran dan lokasi awal partikel.
Image dari high speed video camera selanjutnya diproses dengan image processing software untuk mengetahui lokasi partikel setiap waktu. Lokasi pelepasan partikel dinyatakan sebagai Rc yang menunjukkan jarak lokasi pelepasan dengan sumbu gelembung (sumbu nosel). Pada penelitian ini nilai Rc divariasikan mulai dari Rc = 0 (posisi 1), yakni partikel berada tepat di sumbu gelembung, Rc = 1/2 r (posisi 2), Rc = r (posisi 3) dan Rc > r (posisi 4) dengan r menyatakan jari-jari gelembung. Hasil image processing dinyatakan sebagai trayektori partikel ditunjukkan oleh grafik pada gambar 7, 8, 9, dan 10. Dari grafik-grafik tersebut dapat diketahui pengaruh ukuran dan lokasi pelepasan partikel pada interaksi partikel dan gelembung. Posisi sumbu nosel pada grafik-grafik ini adalah pada x = 0.
Partikel berukuran 300 mikro meter pada posisi 1 dan 2, berinteraksi dengan gelembung, menempel pada permukaan gelembung kemudian meluncur pada permukaan gelembung dan terlepas kembali. Sedangkan partikel pada posisi 3 dan 4 tidak berinteraksi dengan gelembung. Trayektori partikel ini ditunjukkan pada gambar 7.
Pola interaksi partikel berukuran 212 mikro meter berbeda dengan partikel berukuran 300 mikro meter. Partikel ini berinteraksi dengan gelembung untuk posisi 1, 2, dan 3. Partikel menempel dan meluncur pada permukaan gelembung kemudian berhenti membentuk agregat partikel gelembung. Hal ini dikarenakan bentuk dari partikel 212 mikron yang lebih bladed atau lebih bulat sehingga luas permukaan untuk menempelnya lebih besar, selain itu bentuk sub-angularnya juga membuat penempelan dengan gelembung semakin efisien. Kondisi yang serupa terjadi pada partikel berukuran 150 dan 106 mikro meter seperti ditunjukkan pada grafik di gambar 9 dan 10.
Gambar 7 Lintasan partikel berukuran 300 mikro meter
Gambar 8 Lintasan partikel berukuran 212 mikrometer
Gambar 9 Lintasan partikel berukuran 150 mikro meter
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Gambar 10 Lintasan partikel berukuran 150 mikro meter
Probabilitas Tumbukan Partikel dengan Gelembung
Interaksi antara partikel dan gelembung diawali dengan proses tumbukan. Karena efisiensi flotasi dipengaruhi oleh proses ini, maka penting untuk mengetahui probabilitas tumbukan antara partikel dan gelebung. Grafik pada gambar 11, 12, 13, dan 14 menunjukkan probabilitas tumbukan partikel dengan berbagai ukuran pada berbagai posisi pelepasan partikel.
Grafik-grafik ini menunjukan bahwa posisi dan ukuran menentukan probabilitas tumbukan. Nilai probabilitas tumbukan turun dengan naiknya nilai Rc. Sebaliknya nilai probabilitas tumbukan naik dengan bertambahnya ukuran partikel. Nilai probabilitas tumbukan terbaik untuk setiap ukuran partikel dicapai pada Rc = 0 dan diikuti Rc = ½ r.
Gambar 11. Probabilitas tumbukan pada Rc = 0
Gambar 12. Probabilitas tumbukan pada Rc = ½ r
Gambar 13. Probabilitas tumbukan pada Rc = r
Gambar 14. Probabilitas tumbukan pada Rc > r
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Probabilitas Pelekatan Partikel
Interaksi partikel dan gelembung diawali dengan tumbukan kemudian diikuti dengan pelekatan partikel pada permukaan gelembung dan terbentuknya agregat partikel gelembung. Dari pengamatan menunjukkan bahwa proses tumbukan dalam beberapa kasus tidak diikuti dengan pelekatan partikel pada dinding gelembung, padahal proses ini menentukan efisiensi pemisahan, maka perlu diketahui probabilitas pelekatan.
Probabibilitas pelekatan pada penelitian ini didefinisikan sebagai perbandingan jumlah partikel yang melekat dengan jumlah partikel yang dilepaskan untuk setiap ukuran partikel dan posisi pelepasan. Probabilitas pelekatan ditunjukkan pada gambar 15, 16, 17, dan 18.
Grafik-grafik ini menunjukkan bahwa probabilitas pelekatan semakin kecil untuk ukuran partikel yang semakin besar. Probabilitas pelekatan juga sensitif terhadap posisi pelepasan partikel. Semakin besar Rc semakin kecil nilai probabilitas pelekatan dan mencapai nol saat Rc > r.
Gambar 15 Probabilitas pelekatan, Rc = 0
Gambar 16 Probabilitas pelekatan, Rc = ½ r
Gambar 17 Probabilitas pelekatan, Rc = r
Gambar 18 Probabilitas pelekatan, Rc > r
Kecepatan Terminal Partikel
Kedudukan partikel sebagai fungsi waktu ditunjukkan oleh grafik pada gambar 19. Seperti pemahaman yang ada, partikel berukuran besar karena mengalami gaya graviasi lebih besar bergerak lebih cepat.
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Gambar 19 Posisi partikel vs waktu
Gambar 20 Kecepatan terminal partikel. Gambar 20 menunjukkan kecepatan terminal hasil penelitian ini dibandingkan dengan kecepatan terminal sesuai hukum Stokes. Hasil yang didapat saat penelitian ini memiliki trend yang sama seperti hasil dari. Perbedaan antara hasil penelitian dengan
Stoke’s Law karena tidak dipenuhinya syarat
nilai Re, dimana untuk Stoke Law adalah untuk Re < 1, sedangkan nilai Re pada penelitian ini 1 [7].
Kesimpulan
Dari hasil penelitian yang dilakukan disimpulkan :
Bentuk dari partikel ukuran 106, 150 dan 212 mikron adalah bladed – sub angular, sedangkan ukuran 300 mikron berbentuk prolate – sub angular.
Rc yang paling efisien untuk tumbukan dan pelekatan dalam proses flotasi adalah Rc = 0
(tepat ditengah gelembung) dan Rc = 1/2 r gelembung. Probabilitas tumbukan paling tinggi dimiliki ukuran 300 mikron dan 212 mikron pada jarak Rc = 0 dan Rc = 1/2 r. Sedangkan probabilitas pelekatan paling tinggi dimiliki oleh partikel berukuran 106 mikron pada jarak Rc = 1/2 r. Probabilitas tumbukan dengan probabilitas pelekatan berbanding terbalik.
Kecepatan terminal juga sebanding dengan ukuran partikel, semakin besar ukuran partikel maka semakin cepat. Partikel dengan ukuran 300 mikron memiliki kecepatan paling tinggi sebesar 50. 5 mm/s sedangkan partikel berukuran 106 mikron memiliki kecepatan 26.1 mm/s.
DAFTAR REFERENSI
[1] Kelly, E. G., Spottiswood, D. J. (1982). Introduction to Mineral Processing. New York: Willey Interscience Publication.
[2] Kawatra. S. K. Froth Flotation –
Fundamental Principle.
http://www.chem.mtu.edu/chem_eng/f aculty/kawatra/Flotation_Fundamenta ls.pdf
[3] D. I. Verrelli, W. J. Bruckard, P. T. L. Koh, M. P. Schwarz, and B. Follink,
“Particle shape effects in flotation.
Part 1: Microscale experimental
observations,” Miner. Eng., vol. 58,
pp. 80–89, 2014.
[4] Clift, R., Grace, J. R. & Weber, M. E. (1978). Bubbles, Drops, and Particles. New York: Academic Press, Inc. [5] G. H. Bagheri, C. Bonadonna, I.
Manzella, and P. Vonlanthen, “On the
characterization of size and shape of irregular particles,” Powder Technology., vol. 270, pp. 141–153, 2015.
[6] Rawle, A. Basic Principles of Particle Size Analysis. Worcestershire : Malvern Instruments Limited.
[7] Sam, A. (1995). Single Bubble Behavior Study in a Flotation Column. Motreal: Department of Mining and Metallurgical Engineering, McGill University
